JP2016124017A - 溶接接合構造および溶接接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接熱影響部近傍より応力腐食割れが発生し、材料内部へき裂が進展した場合でも、き裂進展経路上でき裂の進展を抑制する。
【解決手段】溶接構造物における接合部となる突き合わせ部に開先加工が施され、その後に、該開先加工部の突合せ部に溶接金属が肉盛りされた溶接接合構造において、少なくとも前記開先加工部の母材金属と接する溶接パスと、環境と接する溶接パスが、結晶粒径が50μm以下のセル状組織を有する溶接金属組織で構成される。また、溶接構造物における接合部となる突き合わせ部に開先加工を施し、その後に、該開先加工部の突合せ部に溶接金属が肉盛りした溶接接合方法において、少なくとも前記開先加工部の母材金属と接する溶接パスと、環境と接する溶接パスを、結晶粒径が50μm以下のセル状組織を有する溶接金属組織で構成する。
【選択図】図５

Description

本発明は溶接接合構造および溶接接合方法に関する。

原子力発電プラントでは、高温高圧純水に接して使用されるオーステナイト系ステンレス鋼(Fe基合金)製の配管及び炉内構造物等，並びにNi基合金の炉内構造物等の溶接部近傍において、応力腐食割れによるひびの損傷事例が報告されている。

応力腐食割れとは、材料条件、環境条件、応力条件が一定の条件で重畳した場合に発現する経年劣化事象の一つであり、これまでに、様々な対策技術が開発され、原子力発電プラントの配管及び炉内構造物等に適用されてきた。

例えば、炭素含有量の高いステンレス鋼を溶接した際、熱影響部の結晶粒界上にクロム炭化物が形成されることにより、その近傍にクロム欠乏層ができ、耐食性が低下して応力腐食割れ発生の原因となることが分かった。本事象を解決する材料面からの改善策として、ステンレス鋼中の炭素含有量を減らし、溶接時の熱鋭敏化を抑制した低炭素系ステンレス鋼が開発され、原子力発電プラントの配管及び炉内構造物等に適用されている。

一般的に、ステンレス鋼製の配管及び構造物を溶接する場合には、図１に示すように、溶接接合するプラント構成部材の各端面に加工された開先を、互いに突合せ、この突合せ部に溶接金属を多層盛りして溶接する。

近年、低炭素系ステンレス鋼を使用した再循環系配管等において、図１中の配管内面３に位置する溶接熱影響部６の内表面に、加工硬化層が存在すると応力腐食割れが発生し、これが配管内面３から配管外面２方向に溶接熱影響部６を進展した後に、溶接金属５に達している事例が報告されている。

尚、一般的に配管内面３に位置する溶接熱影響部６の内表面の加工硬化層から発生した応力腐食割れは、溶接残留応力の作用により、配管内面３の表面から板厚方向に配管外面２方向に進展する際に、溶接金属５の方向に徐々に進展方向を変えながら、溶接金属５へ進展することが知られている。

また、一般的にステンレス鋼製の配管及び構造物を溶接する場合には、図２に示すように、溶接金属５中の溶接金属組織であるデンドライト組織は、溶接時の溶湯の温度勾配に従い、溶接金属組織のマクロ的成長方向７は溶接を開始した配管内面３から溶接を終了した配管外面２の板厚方向に整合した成長方向となる。

さらに、溶接金属５の溶接金属組織を詳細に観察すると、図２中(ｂ)に示した様に、溶接金属が接する配管１に対し、溶接金属組織のミクロ的成長方向８は、結晶学的にエピタキシャルな方位を維持したまま成長する。

すなわち、配管内面３に位置する溶接熱影響部６の内表面の加工硬化層から発生した応力腐食割れが、溶接残留応力の作用により、配管内面３の表面から板厚方向に配管外面２方向に進展した後に、溶接金属５に達した際、応力腐食割れは溶接金属組織の成長方向に沿って、図２中(ｃ)のδ-フェライト相９とγ-オーステナイト相１０の界面を進展する問題があった。

更に、溶接金属５内に進展した応力腐食割れは、溶接金属組織の複雑さからそのき裂先端位置を超音波探傷等の非破壊検査法にて検知することが困難であった。また、図３に示すように、応力腐食割れはき裂長さ50μm以下の範囲においては進展性を持たないが、50μｍを超えるとき裂同士の合体等によりその長さ及び深さが急激に増加し、以降進展性のき裂となり、材料内部を進展することが明らかとなった。

日本機械学会 発電用原子力設備維持規格に従い、健全性が確認された場合は、割れを有したままの原子力発電プラントの継続運転を認めているが、配管や構造物等の溶接部における信頼性向上の観点から、溶接熱影響部や溶接金属中での応力腐食割れの進展を抑制することは、極めて重要な対策の一つと考えられる。

この溶接熱影響部６や溶接金属中５での応力腐食割れの進展を抑制する対策として、耐応力腐食割れ性を向上した配管の溶接接合工法が、特許文献１で提案されている。特許文献１に記載されている配管の溶接接合工法は、配管の接合端部近傍の内面に、配管の母材よりも耐応力腐食割れ性に優れた材料を用いて肉盛を施し、この肉盛された配管の接合端部に、肉盛部の少なくとも一部を残して開先を形成し、肉盛部同士を突合わせて溶接接合している。

一方、特許文献２には、配管の肉盛溶接方法が記載されている。この特許文献２では、配管を溶接する前に、配管の開先加工部に応力腐食割れ進展方向と交差する方向に溶接金属のデンドライト組織を成長させた肉盛溶接層を形成し、その後、肉盛溶接層同士を溶接接合している。配管の開先加工部において、配管の外面側から内面側に向かって肉盛を行うことによって、上記したように、応力腐食割れ進展方向と交差する方向に溶接金属のデンドライト組織を成長させることができる。

この配管の溶接接合構造では、配管内面側の溶接熱影響部付近で発生した応力腐食割れが、応力腐食割れ進展方向と交差する方向に形成されたデンドライト組織によって、溶接金属の内部に進展することを抑制している。

更に、特許文献３には、配管内面側の溶接熱影響部の近傍でプラント構成部材の表面に発生した応力腐食割れにより生じたき裂が、溶接金属の内部に進展することを抑制している溶接接合構造が記載されている。

この方法では、開先加工部に複数層の溶接パスによる肉盛部を有し、この肉盛部において、下層である第１溶接と、この第１溶接パスと隣り合って第１溶接パスの上に施された上層である第２溶接パスの境界に沿って、下層の溶接パス内に微細化したδ-フェライト相９を形成する。

δ-フェライト相９は、一方向に伸びるδフェライト相９の、その方向での連続性が分断された状態であり、δ-フェライト相９よりも長さが短くなり、また、δ-フェライト相９とγ-オーステナイト相１０の間の界面の連続性が、図２のδ-フェライト相９とγ-オーステナイト相１０の間の界面の連続性よりも低くなっている。

そして、特許文献３では、隣り合う溶接パスの境界に沿って存在する連続性が分断されたδ-フェライト相９とγ-オーステナイト相10の領域が、２００μｍ〜１０００μｍの幅を有して形成され、これにより、応力腐食割れの進展経路であるδ-フェライト相９とγ-オーステナイト相１０の界面を分断できるため、配管内面側の溶接熱影響部６の近傍でプラント構成部材の表面に発生した応力腐食割れにより生じたき裂が、溶接金属５の内部に向かって深く進展することを抑制している。

特開２００５−２８４０５号公報 特開２００９−３９７３４号公報 特願２０１１−２０６８０９号公報

しかし上記特許文献のものでは、き裂進展経路上でき裂の進展を抑制することについて改良の余地がある。

本発明の目的は、溶接熱影響部近傍より応力腐食割れが発生し、材料内部へき裂が進展した場合でも、き裂進展経路上でき裂の進展を抑制することにある。

上記課題を解決するため、例えば特許請求の範囲に記載された構成を採用する。

本発明によれば、溶接熱影響部近傍より応力腐食割れが発生し、材料内部へき裂が進展した場合でも、き裂進展経路上でき裂の進展を抑制することができる。

従来の溶接接合構造を示す縦断面図 図１に示す溶接部の溶接凝固組織を示す説明図 オーステナイト系ステンレス鋼の耐応力腐食割れ性試験結果を示す説明図 本発明の溶接施工方法による溶接凝固組織を示す説明図 本発明の実施例１の溶接施工方法による溶接凝固組織を示す説明図 本発明の実施例１における溶接施工方法の概念図

溶接金属部５を応力腐食割れが進展する場合、その進展経路はマクロ的な溶接金属組織成長方向７だけではなく、ミクロ的溶接金属の成長方向８にも影響されることが明らかとなっている。

よって本実施形態では、接合部となる部分に開先加工を施した後に、該開先加工部の突合せ部に溶接金属を肉盛りする溶接施工方法においてし、少なくとも原子炉環境並びに冷却水環境等に接する溶接パスにおける溶接金属と、少なくとも開先部の母材金属と接する溶接パスにおける溶接金属を、図４に示す様なδ-フェライト相の粒子径が50μm以下のセル状組織を有する溶接金属組織とする。

以下、図面を参照しながら詳細を説明する。

図５には、オーステナイト系ステンレス鋼配管への本実施例による溶接施工例を示す。溶接対象となる配管１の突合せ部に開先加工を施し、図１の手順１に示すように開先加工部４を形成する。その後、開先加工部４を突合せ、図５の手順２に示すように、開先加工部４に配管１の配管内面３から配管外面２へ向けて溶接金属を積層させる。

溶接金属を積層させる際に、図５に示した様に配管内面３側の原子炉環境或いは冷却水環境に接触する内表面の溶接金属パス及び、配管１及び開先加工部４と接触する溶接金属パスを、例えば図６(ｂ)に示した超音波攪拌溶接等で施工することにより、図４に示した組織連続性の低いセル状組織を形成させた攪拌溶接層１１を設ける。

配管内面３側の原子炉環境或いは冷却水環境に接触する内表面の溶接金属パス以外、並びに配管１及び開先加工部４と接触する溶接金属パス以外の溶接パスは図６(a)に示した通常の溶接方法にて施工する。

前記の溶接は、いずれも入熱量が２０ｋｊ/ｃｍ未満で、ＴＩＧ溶接にて実施する。また、前層の溶接パスを施工後、次層の溶接パスを施工する際の前層パス近傍の溶接金属５の温度が、３５０℃未満となる条件で溶接を実施することが望ましい。また、ＴＩＧ溶接以外に被覆アーク溶接或いはサブマージアーク溶接等を適用してもよい。

本実施例によれば、配管内面３上に位置する溶接金属１１及び配管１及び開先加工部４の母材金属と接する溶接パスにおける溶接金属１１の溶接金属組織を、図４に示した組織連続性の低いセル状組織とすることが可能となる。また、本実施例によれば、溶接金属１１の溶接金属中におけるδ-フェライト相９の粒子径を50μm以下に分散させることが可能となり、溶接熱影響部６近傍より応力腐食割れが発生し、材料内部へき裂が進展した場合でも、溶接金属５及び溶接金属１１に進展してきた応力腐食割れのき裂の進展を、溶接金属１１の領域で抑制することができる。

尚、上述した実施例では、原子力発電プラントの再循環系配管のFe基合金であるステンレス鋼溶接構造物について説明したが、シュラウド等の溶接継手のFe基合金であるステンレス鋼溶接構造物並びに炉底部におけるNi基合金の溶接構造物に適用できることは言うまでもない。

また、Ni基合金の溶接構造物に本発明を適用する場合、Ni基合金はオーステナイト相単相の合金である為、上述した実施例におけるδ-フェライト相の代替として、Ni基合金におけるオーステナイト相の結晶粒径を50μmとすることで、同等の耐応力腐食割れ性を付与することが可能である。

更に、本実施例では、配管内面３上に位置する溶接金属１１及び配管１及び開先加工部４の母材金属と接する溶接パスにおける溶接金属１１の形成に、超音波攪拌溶接を用いた例を示したが、溶接金属組織を攪拌可能な方法であれば、例えば摩擦攪拌溶接、磁気攪拌溶接等を用いても良い。

加えて、本実施例では、組織連続性の低いセル状組織を形成させた攪拌溶接層１１を、配管内面３側の原子炉環境或いは冷却水環境に接触する内表面の溶接金属パス及び、配管１及び開先加工部４と接触する溶接金属パスに設けたが、全ての溶接金属５を攪拌溶接層１１としても良い。

本発明は、溶接施工方法及び溶接接合構造並びにNi基及びFe基合金の溶接構造物に係り、例えば、原子力発電プラントの高温高圧純水に接して使用される炉内構造物並びに配管等に適用するに好適な溶接施工方法及び溶接接合構造並びにNi基及びFe基合金の溶接構造物に関わり、その耐応力腐食割れ性を向上させる効果が得られるものであるが、腐食環境にて使用される構造物、例えば火力発電設備、地熱発電設備、海水中で使用される機器、並びに油田及びガス田環境中にて使用される機器の溶接施工法、溶接接合構造、溶接構造物へ適用し、その耐食性を向上させることにも利用できる。

1 配管
2 配管外面
3 配管内面
4 開先加工部
5 溶接金属
6 溶接熱影響部
7 溶接金属組織のマクロ的成長方向
8 溶接金属組織のミクロ的成長方向
9 δ-フェライト相
10 γ-オーステナイト相
11 攪拌溶接層
12 溶融池
13 溶接電極、
14 シールドガス
15 アーク
16 ノズル
17 溶加材
18 超音波振動子

Claims (3)

1. 溶接構造物における接合部となる突き合わせ部に開先加工が施され、その後に、該開先加工部の突合せ部に溶接金属が肉盛りされた溶接接合構造において、少なくとも前記開先加工部の母材金属と接する溶接パスと、環境と接する溶接パスが、結晶粒径が50μm以下のセル状組織を有する溶接金属組織で構成されることを特徴とする溶接接合構造。
2. 溶接構造物における接合部となる突き合わせ部に開先加工を施し、その後に、該開先加工部の突合せ部に溶接金属が肉盛りした溶接接合方法において、少なくとも前記開先加工部の母材金属と接する溶接パスと、環境と接する溶接パスを、結晶粒径が50μm以下のセル状組織を有する溶接金属組織で構成することを特徴とする溶接接合方法。
3. 請求項２において、前記溶接金属組織を、超音波攪拌溶接、磁気攪拌溶接或いは摩擦攪拌溶接の何れかの攪拌手段により形成することを特徴とする溶接接合方法。